Performance Evaluation of Pilot Scale Ozonation System for Nitrogen-Based Contaminants Removal in Mine Impacted Water

La présence de contaminants azotés est commune dans les effluents miniers, leurs principales sources étant l'utilisation d'explosifs pour fracturer le socle rocheux et l'utilisation du cyanure pour l'extraction de l'or et de l'argent. En raison de leur potentiel de toxicité aiguë à faible concentration, les cyanures et dérivés des cyanures (thiocyanates, cyanates), l'azote ammoniacal et les nitrites sont les principaux contaminants azotés d'intérêt présents dans les eaux minières contaminées. Les technologies conventionnelles pour traiter ces contaminants présentent plusieurs inconvénients, notamment lorsqu'il est question d'applications en eau froide. Ce contexte nécessite le développement de technologies émergentes. Parmi ces technologies, l'efficacité de l'ozone pour oxyder ces contaminants azotés a déjà été démontrée en laboratoire. Afin de faire progresser les connaissances à ce sujet, une évaluation des performances de cette technologie à l'échelle pilote a été entreprise. Les essais ont été divisés en deux phases: des essais paramétriques pour optimiser les conditions opératoires et des essais de longue durée pour évaluer la robustesse du procédé. La première phase du projet a été réalisée sur le surnageant du parc à résidus d'une mine d'or qui contenait 1,8 ± 0,3 mg SCN-N/L, 14,0 ± 1,2 mg CNO-N/ L et 34,9 ± 2,3 mg NH3-N/L. Les essais de longue durée ont, quant à eux, été réalisés sur le surnageant du parc à résidus ainsi que sur l'eau provenant des opérations de maintien à sec des opérations souterraines de cette même mine. Cette eau contenait 40,1 mg NH3-N/L, et des concentrations en thiocyanate, cyanate et cyanures totaux sous leur seuil de détection. L'efficacité d'enlèvement du NH3-N durant les essais paramétriques du projet n'a pas montré de différence importante entre l'utilisation d'un tube Venturi ou d'une pompe à microbulles pour injecter l'ozone dans l'eau à traiter. L'utilisation de bromure, de peroxyde d'hydrogène, de charbon actif et dioxyde de titane comme catalyseur n'a pas non plus produit de différence notable lors des essais comparatifs avec et sans catalyseur. Ces essais ont également confirmé qu'un pH de 9,5 et plus est nécessaire pour oxyder avec succès le NH3-N avec de l'ozone. Quatre essais de longue durée ont ensuite été réalisés. Les meilleurs taux d'enlèvement ont été obtenus en ajoutant 2 330 mg O3/L dans le surnageant du parc à résidus, soit : 99 % pour le SCN-, 64 % pour le CNO- et 80 % pour le NH3-N. Cependant, la quantité d'ozone utilisée lors de cet essai fut jusqu'à quatre fois supérieure aux valeurs stoechiométriques. Des pertes d'ozone dans l'atmosphère et des erreurs de mesure du débit d'ozone lors de l'injection pourraient expliquer cet écart. Les CAPEX et OPEX d'une usine d'ozonation à l'échelle commerciale ont également été estimés et comparés à une usine avec réacteurs à biofilm à lit mobile d'une capacité de 500 m3/h déjà existante et située dans le nord du Québec, au Canada. Cette comparaison a révélé que le coût des deux technologies serait du même ordre de grandeur.

Abstract

Nitrogen-based contaminants are commonly found in mine impacted water, their primary sources being the use of explosives in hard rock mining, and the use of cyanide solutions for gold and silver extraction. Due to their potential acute toxicity at low concentrations, cyanide and their derivatives (thiocyanate, cyanate), ammonia nitrogen and nitrite are the principal nitrogen-based contaminants of concern at these mine sites. Conventional water treatment processes to remove these contaminants present several disadvantages when used on mine impacted water, especially for cold-climate applications. This context calls for the development of emerging technologies. Among these technologies, the efficiency of ozone to oxidize nitrogen-based contaminants has already been demonstrated in laboratory experiments. To further advance the general understanding of this approach, an evaluation of the performance of this technology at a pilot scale level was undertaken. Trials were divided in two phases: the parametric study to optimize operating conditions and the extended duration trials to evaluate the robustness of the process. The first phase was performed on the tailing supernatant of a gold mine which contains 1.8 ± 0.3 mg SCN-N/L, 14.0 ± 1.2 mg CNO-N/L and 34.9 ± 2.3 mg NH3-N/L. The extended duration trials were performed on both the tailing water and water from underground dewatering operations of the same mine. This water contained 40.1 mg NH3-N/L, and concentrations of thiocyanate, cyanate and total cyanide below detection level. Removal efficiency results on NH3-N during the parametric study stage of the project did not showed important difference between using a Venturi tube or a microbubble pump to inject the ozone in the water. The use of bromide, hydrogen peroxide, activated carbon and titanium dioxide as catalysts also did not yield notable difference between the trials with and without them. These trials also confirmed that a pH of 9.5 and above is required to successfully oxidize NH3-N with ozone. Based on the results above, four extended duration trials were then carried out. Optimal removal efficiencies were obtained by dosing 2 330 mg O3/L in the tailing water, and are as follows: 99% for SCN-, 64% for CNO- and 80% for NH3-N. However, the ozone dosing rate during this trial was four times above the stochiometric requirement. Ozone loss in the atmosphere and errors on the ozone dosing rate measurements are among the suspected explanations for this difference. The CAPEX and OPEX of a commercial scale ozonation plant were also estimated, and compared to an existing 500 m3/h moving bed biofilm reactor plant located in Northern Quebec, Canada. This comparison revealed that the cost of both technologies may be within the same order of magnitude.